CN117869353A - 一种燃料电池透平空压机预期寿命测试台架及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种燃料电池透平空压机预期寿命测试台架及方法，测试台架包含空气滤清器、压端进气流量计、压力传感器、温度传感器、被测空压机、第一涡端进气流量计、第二涡端进气流量计、第一涡端进气节流阀、第二涡端进气节流阀、雾化喷水器、电加热器、气压源与稳压装置、涡端外部供气节流阀、流阻模拟器、压端排气节流阀、第一压端背压阀、第二压端背压阀、第一压端出气流量计、第二压端出气流量计、中冷器、水泵、散热器、补水水箱；测试台架具有自循环和外部供气两种工作模式，结合加速工况下的无故障运行时间与加速系数可计算出空压机常用工况下的预期寿命。

Description

一种燃料电池透平空压机预期寿命测试台架及方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统用空压机技术领域，特别是一种燃料电池透平空压机预期寿命测试台架及方法。

背景技术

燃料电池空压机是燃料电池空气供给子系统的核心部件，也是整个燃料电池系统中消耗功率最大的辅助部件，可为燃料电池提供一定流量与压力的空气，以满足不同工况下燃料电池的氧气需求。但随着大功率燃料电池的发展，燃料电池对空压机压比、流量的需求不断提高，在提升空压机流量、压比水平的同时也导致了空压机寄生功耗的提高。其中透平空压机利用燃料电池尾排能量推动涡轮做功，回收尾排能量，从而提高系统效率。因此带涡轮能量回收功能的透平空压机成为当前主流技术路线。

考虑到燃料电池尾排中包含水蒸气等成分，透平空压机能量回收过程中冷凝的液态水，可能会对涡轮造成冲蚀等损伤，进而影响系统可靠性。若空压机的工作不稳定或寿命较短，将导致燃料电池系统的整体性能下降，增加系统的维护成本。因此，需要合理设计透平空压机测试台架以及测试方法，模拟系统实际工作条件，用于评估透平空压机的寿命等性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池透平空压机预期寿命测试台架及方法，能开展燃料电池透平空压机预期寿命测试，具有通用性，可模拟实际燃料电池系统中透平空压机的工作条件，能够满足各种功率等级透平空压机的预期寿命测试需求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种燃料电池透平空压机预期寿命测试台架，包括空气滤清器、压端进气流量计、压力传感器、温度传感器、被测空压机、第一涡端进气流量计、第二涡端进气流量计、第一涡端进气节流阀、第二涡端进气节流阀、雾化喷水器、电加热器、气压源与稳压装置、涡端外部供气节流阀、流阻模拟器、压端排气节流阀、第一压端背压阀、第二压端背压阀、第一压端出气流量计、第二压端出气流量计、中冷器、水泵、散热器、补水水箱；测试台架具有自循环和外部供气两种工作模式，可以模拟燃料电池尾排压力和流量并通入涡端；

其中针对测试台架的气路所使用的传感器，空气滤清器后的压力、温度传感器用于监控进气状态；被测空压机出口的压力、温度传感器用于监控出气状态；中冷器之后的并联流道内有一大一小两个流量计，分别用于检测大流量和小流量空压机的压端出口流量；涡端并联流道内的一大一小两个流量计，分别用于大流量、小流量测试；涡端流量计之后的压力、温度传感器用于监控涡端进气状态；涡端出口的压力、温度传感器用于监控涡端出气状态；

其中针对测试台架的水路所使用的传感器，水泵出口的温度、压力传感器用于监控冷却后的水温和水压；被测空压机冷却流道出口温度、压力传感器用于监控空压机内部温度以及该支路水压。

在一较佳的实施例中，空气经空气滤清器与压端进气流量计进入被测空压机的压端，空气被压缩后进入中冷器，经中冷器冷却后出口气体温度降低，针对小流量空压机采用第一压端背压阀调节背压，第二压端背压阀常闭，针对大流量空压机则采用第二压端背压阀调节背压，第一压端背压阀常闭；空气从背压阀流出后，此时压端排气节流阀常闭，通过流阻模拟器模拟燃料电池内的流阻以及氧气消耗，经过流阻模拟器后的空气引入涡端；此时涡端外部供气节流阀关闭，空气经过电加热器加热至指定温度，并通过雾化喷水器加湿以模拟燃料电池出口的湿空气；若当前流量较小则第一涡端进气节流阀开启，第二涡端进气节流阀常闭，若此时流量较大则第二涡端进气节流阀开启，第一涡端进气节流阀常闭；最后湿润的高压空气经涡端膨胀能量回收后排入大气。

在一较佳的实施例中，空气经空气滤清器与压端进气流量计进入被测空压机的压端，空气被压缩后进入中冷器，经中冷器冷却后出口气体温度降低，针对小流量空压机采用第一压端背压阀调节背压，第二压端背压阀常闭，针对大流量空压机则采用第二压端背压阀调节背压，第一压端背压阀常闭；空气从背压阀流出后，此时压端排气节流阀全开，将空气直接排空；流阻模拟器调节流阻至最大，即常闭，此时没有空气会经过流阻模拟器；将涡端外部供气节流阀全开，通过气源与稳压装置为涡端供给目标流量与压力的稳定空气；空气经过电加热器加热至指定温度，并通过雾化喷水器加湿以模拟燃料电池出口的湿空气，若当前流量较小第一涡端进气节流阀开启，第二涡端进气节流阀常闭，若此时流量较大则第二涡端进气节流阀开启，第一涡端进气节流阀常闭；最后湿润的高压空气经涡端膨胀能量回收后排入大气。

本发明还提供了一种燃料电池透平空压机预期寿命测试方法，采用了上述的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试台架；通过设置两台空压机样机，分别将其置于常用工况与加速工况下运行，获取不同工况下的两台空压机的寿命衰退率，并据此求出加速工况相对于常用工况的加速系数，结合加速工况下空压机的无故障运行时间进一步计算出空压机常用工况下的预期寿命。

在一较佳的实施例中，参照GB/T 38914-2020《车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法》中对燃料电池寿命终点的定义，将空压机寿命定义为：空压机经耐久测试后无法正常运行或在额定工况条件下效率下降至一定值时空压机的累计使用时间。

在一较佳的实施例中，分别拟定常用工况与加速工况，并开展常用工况与加速工况下的耐久测试。

在一较佳的实施例中，参照在研国家标准《燃料电池发动机及关键部件耐久性试验方法》征求意见稿中基于中国工况的燃料电池的功率输出曲线，结合某款燃料电池发动机按照燃料电池发动机循环工况曲线进行耐久循环测试，记录其搭载的空压机转速变化，得出空压机转速工况曲线，并将其除以空压机额定转速，获得转速占比曲线，将该工况定义为常用工况。

在一较佳的实施例中，通过提高空压机的变载频率与负荷来提高空压机的寿命衰退速率，采用交变工况作为空压机测试的加速工况，设置空压机工作于最低转速与额定转速之间循环，将该工况定义为加速工况。

在一较佳的实施例中，测试步骤为：设置两台样机分别测试相同时间，测试期间无故障，并每隔一段时间复测额定工况下的效率，分别记录当前效率与累计运行时间，对效率与时间数据进行线性拟合，获取寿命衰退曲线，此时常用工况与加速工况下空压机的寿命衰退曲线的斜率比值即为加速系数，加速系数计算公式如下：

式中，A为加速系数，k_c为常用工况寿命衰退曲线斜率，k_a为加速工况寿命衰退曲线斜率。

在一较佳的实施例中，结合空压机在加速工况下的无故障运行时间测试，计算空压机预期寿命：

T_expect＝T_MTBF×A

式中，T_expect为空压机预期寿命，单位为h；T_MTBF为无故障运行时间，单位为h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所设计的测试台架采用双流道并联的形式，分别在压端出口与涡端入口设置两条流道，针对大流量空压机采用大流量计流道，针对小流量空压机采用小流量计流道，双流道并联的设计使得测试台架具有较宽的流量测试范围，能够满足各种功率等级的空压机测试需求。

2、本发明通过流阻模拟器模拟燃料电池内部流道的流阻以及反应的氧气消耗，同时通过电加热器以及雾化喷水器将经流阻模拟器后或者气源与稳压装置后的压缩空气进行加热、加湿模拟燃料电池尾排状态，能够使得透平空压机涡端进气更接近实际。

3、本发明具有两种工作模式，可以分别开展联合测试(自循环模式)，即压端气体模拟消耗后通入涡端，也可以分开测试(外部供气模式)，即可单独测试压端和涡端，或在压端压缩空气的同时，通过气源与稳压装置直接为涡端供给一定流量与压力的空气，可以灵活的根据实验需求选择工作模式。

4、本发明可以较少的测试时长估计空压机的预期寿命，通过设置两台样机分别工作于常用工况以及加速工况，通过寿命衰退率获取加速因子，结合加速工况测试时间，可以在较短时间内通过计算获取空压机的预期寿命，克服了常规耐久性测试时间周期长，人力、物力成本高等缺点。

附图说明

附图1为本发明实施例的系统框图；

附图2为常用工况，横坐标为时间，纵坐标为额定转速的占比；

附图3为加速工况，横坐标为时间，纵坐标为转速；

附图标记：

1空气滤清器、2压端进气流量计、3压力传感器、4温度传感器、5被测空压机、6第一涡端进气流量计、7第二涡端进气流量计、8第一涡端进气节流阀、9第二涡端进气节流阀、10雾化喷水器、11电加热器、12气压源与稳压装置、13涡端外部供气节流阀、14流阻模拟器、15压端排气节流阀、16第一压端背压阀、17第二压端背压阀、18第一压端出气流量计、19第二压端出气流量计、20中冷器、21水泵、22散热器、23补水水箱。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如附图1所示，一种燃料电池透平空压机预期寿命测试台架，其特征在于：所述测试台架包括空气滤清器1、压端进气流量计2、压力传感器3、温度传感器4、被测空压机5、第一涡端进气流量计6、第二涡端进气流量计7、第一涡端进气节流阀8、第二涡端进气节流阀9、雾化喷水器10、电加热器11、气压源与稳压装置12、涡端外部供气节流阀13、流阻模拟器14、压端排气节流阀15、第一压端背压阀16、第二压端背压阀17、第一压端出气流量计18、第二压端出气流量计19、中冷器20、水泵21、散热器22、补水水箱23。测试台架具有自循环和外部供气两种工作模式，可以模拟燃料电池尾排压力和流量并通入涡端。

其中针对测试台架的气路(附图1中的实线箭头部分)所使用的传感器，空气滤清器1后的压力、温度传感器用于监控进气状态；被测空压机5出口的压力、温度传感器用于监控出气状态；中冷器20之后的并联流道内有一大一小两个流量计，分别用于检测大流量和小流量空压机的压端出口流量；涡端并联流道内的一大一小两个流量计的作用与压端出口类似，分别用于大流量、小流量测试；涡端流量计之后的温度、压力传感器用于监控涡端进气状态；涡端出口的压力、温度传感器用于监控涡端出气状态。

其中针对测试台架的水路(附图1中的虚线箭头部分)所使用的传感器，水泵21出口的温度、压力传感器用于监控冷却后的水温和水压；被测空压机5冷却流道出口的温度、压力传感器用于监控空压机内部温度以及该支路水压。

所述测试台架具有自循环工作模式，其特征在于：空气经空气滤清器1与压端进气流量计2进入被测空压机的压端，空气经压缩后进入中冷器20，经中冷器20冷却后出口气体温度降低，针对小流量空压机采用第一压端背压阀16调节背压，第二压端背压阀17常闭，针对大流量空压机则采用第二压端背压阀17调节背压，第一压端背压阀16常闭。空气从背压阀流出后，此时压端排气节流阀15常闭，通过流阻模拟器14模拟燃料电池内的流阻以及氧气消耗，经过流阻模拟器14后的空气引入涡端。此时涡端外部供气节流阀13关闭，空气经过电加热器11加热至指定温度，并通过雾化喷水器10加湿以模拟燃料电池出口的湿空气。若当前流量较小则第一涡端进气节流阀8开启，第二涡端进气节流阀9常闭，若此时流量较大则第二涡端进气节流阀开启，第一涡端进气节流阀常闭。最后湿润的高压空气经涡端膨胀能量回收后排入大气。

所述测试台架具有外部供气工作模式，其特征在于：空气经空气滤清器1与压端进气流量计2进入被测空压机的压端，空气经压缩后进入中冷器20，经中冷器20冷却后出口气体温度降低，针对小流量空压机采用第一压端背压阀16调节背压，第二压端背压阀17常闭，针对大流量空压机则采用第二压端背压阀17调节背压，第一压端背压阀16常闭。空气从背压阀流出后，此时压端排气节流阀15全开，将空气直接排空。流阻模拟器14调节流阻至最大，即常闭，此时没有空气会经过流阻模拟器14。将涡端外部供气节流阀13全开，通过气源12与稳压装置为涡端供给目标流量与压力的稳定空气。空气经过电加热器11加热至指定温度，并通过雾化喷水器10加湿以模拟燃料电池出口的湿空气，若当前流量较小第一涡端进气节流阀8开启，第二涡端进气节流阀9常闭，若此时流量较大则第二涡端进气节流阀9开启，第一涡端进气节流阀8常闭。最后湿润的高压空气经涡端膨胀能量回收后排入大气。

基于所述测试台架，设计的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试方法其特征在于：通过设置两台空压机样机，分别将其置于常用工况与加速工况下运行，获取不同工况下的两台空压机的寿命衰退率，并据此求出加速工况相对于常用工况的加速系数，结合加速工况下的无故障运行时间进一步计算出空压机常用工况下的预期寿命。

所述的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试方法，参照GB/T38914-2020《车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法》中对燃料电池寿命终点的定义，将空压机寿命定义为：空压机经耐久测试后无法正常运行或在额定工况条件下效率下降至一定值(10％)时空压机的累计使用时间。

所述的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试方法，分别拟定常用工况与加速工况，并开展常用工况与加速工况下的耐久测试。

参照在研国家标准《燃料电池发动机及关键部件耐久性试验方法》征求意见稿中基于中国工况的燃料电池的功率输出曲线，结合某款燃料电池发动机按照燃料电池发动机循环工况曲线进行耐久循环测试，记录其搭载的空压机转速变化，得出空压机转速工况曲线，并将其除以空压机额定转速，获得转速占比曲线，将该工况定义为常用工况，如附图2所示。

通过提高空压机的变载频率与负荷来提高空压机的寿命衰退速率，采用交变工况作为空压机测试的加速工况，设置空压机工作于最低转速与额定转速之间循环，将该工况定义为加速工况，如附图3所示。

所述的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试方法，其特征在于，测试步骤为：设置两台样机分别测试相同时间，测试期间无故障，并每隔一段时间复测额定工况下的效率，分别记录当前效率与累计运行时间，对效率与时间数据进行线性拟合，获取寿命衰退曲线，此时常用工况与加速工况下空压机的寿命衰退曲线斜率的比值即为加速系数，加速系数计算公式如下。

式中，A为加速系数，k_c为常用工况寿命衰退曲线斜率，k_a为加速工况寿命衰退曲线斜率。

基于所述的加速系数，结合空压机在加速工况下的无故障运行时间测试，计算空压机预期寿命：

T_expect＝T_MTBF×A

式中，T_expect为空压机预期寿命，单位为h；T_MTBF为无故障运行时间，单位为h。

综上，本实施例为满足燃料电池透平空压机测试需求，设计了测试台架，台架具有较宽的流量测试范围，能够模拟燃料电池实际尾排状态，具有内循环和外部供气两种工作模式，为进一步获取透平空压机预期寿命设计了常用工况以及加速工况用于透平空压机预期寿命的测试，并给出了寿命计算方法。

Claims (10)

1.一种燃料电池透平空压机预期寿命测试台架，其特征在于，包括空气滤清器、压端进气流量计、压力传感器、温度传感器、被测空压机、第一涡端进气流量计、第二涡端进气流量计、第一涡端进气节流阀、第二涡端进气节流阀、雾化喷水器、电加热器、气压源与稳压装置、涡端外部供气节流阀、流阻模拟器、压端排气节流阀、第一压端背压阀、第二压端背压阀、第一压端出气流量计、第二压端出气流量计、中冷器、水泵、散热器、补水水箱；测试台架具有自循环和外部供气两种工作模式，可以模拟燃料电池尾排压力和流量并通入涡端；

其中针对测试台架的气路所使用的传感器，空气滤清器后的压力、温度传感器用于监控进气状态；被测空压机出口的压力、温度传感器用于监控出气状态；中冷器之后的并联流道内有一大一小两个流量计，分别用于检测大流量和小流量空压机的压端出口流量；涡端并联流道内的一大一小两个流量计，分别用于大流量、小流量测试；涡端流量计之后的压力、温度传感器用于监控涡端进气状态；涡端出口的压力、温度传感器用于监控涡端出气状态；

其中针对测试台架的水路所使用的传感器，水泵出口的温度、压力传感器用于监控冷却后的水温和水压；被测空压机冷却流道出口温度、压力传感器用于监控空压机内部温度以及该支路水压。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试台架，其特征在于，空气经空气滤清器与压端进气流量计进入被测空压机的压端，空气被压缩后进入中冷器，经中冷器冷却后出口气体温度降低，针对小流量空压机采用第一压端背压阀调节背压，第二压端背压阀常闭，针对大流量空压机则采用第二压端背压阀调节背压，第一压端背压阀常闭；空气从背压阀流出后，此时压端排气节流阀常闭，通过流阻模拟器模拟燃料电池内的流阻以及氧气消耗，经过流阻模拟器后的空气引入涡端；此时涡端外部供气节流阀关闭，空气经过电加热器加热至指定温度，并通过雾化喷水器加湿以模拟燃料电池出口的湿空气；若当前流量较小则第一涡端进气节流阀开启，第二涡端进气节流阀常闭，若此时流量较大则第二涡端进气节流阀开启，第一涡端进气节流阀常闭；最后湿润的高压空气经涡端膨胀能量回收后排入大气。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试台架，其特征在于，空气经空气滤清器与压端进气流量计进入被测空压机的压端，空气被压缩后进入中冷器，经中冷器冷却后出口气体温度降低，针对小流量空压机采用第一压端背压阀调节背压，第二压端背压阀常闭，针对大流量空压机则采用第二压端背压阀调节背压，第一压端背压阀常闭；空气从背压阀流出后，此时压端排气节流阀全开，将空气直接排空；流阻模拟器调节流阻至最大，即常闭，此时没有空气会经过流阻模拟器；将涡端外部供气节流阀全开，通过气源与稳压装置为涡端供给目标流量与压力的稳定空气；空气经过电加热器加热至指定温度，并通过雾化喷水器加湿以模拟燃料电池出口的湿空气，若当前流量较小第一涡端进气节流阀开启，第二涡端进气节流阀常闭，若此时流量较大则第二涡端进气节流阀开启，第一涡端进气节流阀常闭；最后湿润的高压空气经涡端膨胀能量回收后排入大气。

4.一种燃料电池透平空压机预期寿命测试方法，其特征在于，采用了上述权利要求1-3中任意一项所述的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试台架；通过设置两台空压机样机，分别将其置于常用工况与加速工况下运行，获取不同工况下的两台空压机的寿命衰退率，并据此求出加速工况相对于常用工况的加速系数，结合加速工况下的无故障运行时间进一步计算出空压机常用工况下的预期寿命。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试方法，其特征在于，参照GB/T 38914-2020《车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法》中对燃料电池寿命终点的定义，将空压机寿命定义为：空压机经耐久测试后无法正常运行或在额定工况条件下效率下降至一定值时空压机的累计使用时间。

6.根据权利要求4所述的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试方法，其特征在于，分别拟定常用工况与加速工况，并开展常用工况与加速工况下的耐久测试。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试方法，其特征在于，参照在研国家标准《燃料电池发动机及关键部件耐久性试验方法》征求意见稿中基于中国工况的燃料电池的功率输出曲线，结合某款燃料电池发动机按照燃料电池发动机循环工况曲线进行耐久循环测试，记录其搭载的空压机转速变化，得出空压机转速工况曲线，并将其除以空压机额定转速，获得转速占比曲线，将该工况定义为常用工况。

8.根据权利要求6所述的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试方法，其特征在于，通过提高空压机的变载频率与负荷来提高空压机的寿命衰退速率，采用交变工况作为空压机测试的加速工况，设置空压机工作于最低转速与额定转速之间循环，将该工况定义为加速工况。

9.根据权利要求8所述的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试方法，其特征在于，测试步骤为：设置两台样机分别测试相同时间，测试期间无故障，并每隔一段时间复测额定工况下的效率，分别记录当前效率与累计运行时间，对效率与时间数据进行线性拟合，获取寿命衰退曲线，此时常用工况与加速工况下空压机的寿命衰退曲线的斜率比值即为加速系数，加速系数计算公式如下：

式中，A为加速系数，k_c为常用工况寿命衰退曲线斜率，k_a为加速工况寿命衰退曲线斜率。

10.根据权利要求9所述的一种燃料电池透平空压机预期寿命测试方法，结合空压机在加速工况下的无故障运行时间测试，计算空压机预期寿命：

T_expect＝T_MTBF×A

式中，T_expect为空压机预期寿命，单位为h；T_MTBF为无故障运行时间，单位为h。